Consideraciones clave de diseño para la producción automatizada de baterías para vehículos eléctricos

Muchos puntos de diseño se incluyen en las celdas de ensamblaje de baterías de vehículos eléctricos (EV) que garantizan una alta confiabilidad y repetibilidad, una efectividad general óptima del equipo, un rendimiento máximo y conceptos de digitalización de la Industria 4.0. El examen de una celda automatizada de desgasificación de baterías de vehículos eléctricos que está ampliamente instalada en la industria ejemplifica muchas de estas características de diseño.

La formación se refiere al proceso inicial de carga y descarga de celdas de batería para vehículos eléctricos de tipo cilíndrico, prismático y de bolsa. El proceso de carga genera gas dentro de cada celda de la batería. El gas debe extraerse de las celdas selladas de la batería sin perder electrolito.

Desde los bastidores de formación, las celdas de la batería pasan a un sistema de desgasificación automatizado. Las pinzas de vacío normalmente levantan las celdas de la batería de las bandejas y las colocan en el sistema de desgasificación. Un sistema de manipulación en voladizo recoge y coloca las celdas de la batería dentro y fuera de una cámara de desgasificación. Estas dos últimas operaciones son pick and place, un método común en todo el proceso de producción de celdas de baterías para vehículos eléctricos.

Dentro de la cámara, unos cilindros neumáticos mueven lanzas huecas que perforan las celdas de la batería y, mediante vacío, evacuan el gas hasta que el electrolito entra en la lanza. Luego, el sistema cambia del vacío a la presión positiva y sopla el electrolito de regreso a la celda de la batería. La unidad de producción sella la batería, lo que normalmente se realiza mediante soldadura térmica o ultrasónica. Las celdas de batería desgasificadas se recogen, se sacan de la cámara de desgasificación y se vuelven a colocar en bandejas. Las bandejas llenas de celdas de batería pasan a la siguiente etapa de producción.

La celda de desgasificación automatizada presenta movimiento tanto neumático como eléctrico. ¿Por qué utilizar tanto eléctricos como neumáticos? Cada tipo de movimiento tiene sus puntos fuertes, siendo el neumático el más económico y sencillo de los dos. La neumática reduce el costo total del sistema automatizado y simplifica aspectos del sistema, lo que permite una puesta en marcha, instalación y resolución de problemas más rápidas.

Los actuadores eléctricos proporcionan un medio más confiable para sincronizar el movimiento de las placas utilizadas para sellar las celdas de la batería. El movimiento sincronizado garantiza que no haya problemas de alineación si una placa llega antes que la otra. Este nivel de control hace que la precisión y sincronización de los actuadores eléctricos sean la solución óptima para este aspecto de la operación. Los diseñadores OEM identifican dónde es mejor un movimiento más simple y menos costoso y dónde la precisión eléctrica es obligatoria para crear el sistema más rentable para el usuario final.

Si bien hoy en día funcionan cientos de celdas de desgasificación, los diseñadores deben diseñar cada una para su aplicación, tipo de celda, entorno y requisitos de producción específicos. En sus consideraciones de diseño, el dimensionamiento correcto de los componentes eléctricos y neumáticos es esencial para lograr dos objetivos: rentabilidad y cumplimiento de los requisitos funcionales.

El exceso de ingeniería mediante un dimensionamiento incorrecto amplifica la complejidad, aumenta el tiempo de puesta en servicio y crea desafíos para la resolución de problemas. Busque herramientas de productividad de ingeniería de proveedores que armonicen todos los componentes; por ejemplo, accionamiento, motor y actuador, o cilindro, interruptor, accesorios y tuberías. Estas herramientas no sólo aceleran el diseño sino que también dimensionan el sistema correctamente.

El sistema de manipulación en voladizo de la celda de desgasificación de baterías se basa en ejes de husillo. Estos ejes garantizan una carga y descarga dinámica y segura de las cámaras de desgasificación. El diseño en voladizo, que está situado directamente sobre el entorno de trabajo, minimiza el espacio que ocupa la celda. Los sistemas cartesianos de selección y colocación rara vez requieren protección; la eliminación de la protección también reduce la huella.

Un sistema cartesiano es ideal porque la mayor parte del manejo de celdas de batería se realiza mediante recogida y colocación en los ejes X, Y y Z, exactamente para lo que está diseñado el sistema cartesiano. Estos sistemas de recogida y colocación ofrecen una alta precisión en todo el entorno de trabajo, una ventaja en comparación con los robots de seis ejes, que pierden precisión en la periferia. Los sistemas cartesianos de recogida y colocación también son menos costosos que los robots articulados.

Durante el proceso de desgasificación, una válvula de manguito evacua la cámara de proceso. Las válvulas de manguito son compactas, duraderas, energéticamente eficientes, fáciles de mantener y flexibles. Si bien una válvula de manguito puede no ser la primera válvula que le viene a la mente para controlar el flujo de aire, ofrece una alternativa de costo, tamaño y funcionalidad a otras válvulas, como las de diafragma o de bola. La cuestión es identificar el componente óptimo, que puede no ser la primera opción obvia. Apóyese en los proveedores para que le sugieran este tipo de soluciones no tan aparentes.

La celda de desgasificación cuenta con un sistema de E/S descentralizado. Las E/S descentralizadas integran todos los dispositivos de E/S e IO-Link, como sensores y terminales de válvulas, en la red de comunicación de la planta, creando una comunicación perfecta desde la pieza de trabajo hasta la nube.

La E/S descentralizada es flexible, compacta, liviana, proporciona capacidad en tiempo real y es esencial para el comportamiento determinista del equipo. Las E/S descentralizadas ofrecen una estructura simple que respalda la fábrica digital y proporciona alta escalabilidad donde se agregan fácilmente puntos de E/S adicionales.

Sin E/S descentralizadas y IO-Link master, a los usuarios finales les resultaría más difícil escalar y aumentar los puntos de E/S después del diseño inicial. Si la arquitectura de control no se decide desde el inicio del diseño, considere estandarizar una arquitectura de E/S que pueda cambiar fácilmente entre plataformas. Esta flexibilidad adicional dará como resultado que el esquema de E/S y el diseño físico no tengan que cambiar. El único cambio será el módulo de interfaz que se conecta al PLC. Además, si la plataforma de control no está configurada, elija controladores de motor que admitan múltiples protocolos.

La celda de desgasificación incluye una pinza suave adaptable para recoger y colocar celdas de batería dentro y fuera de la cámara de desgasificación. La conformidad de la pinza con la pieza de trabajo significa que la celda de la batería está asegurada sin fuerza excesiva. En este sentido, los diseñadores suelen utilizar vacío para bolsas y celdas cilíndricas. La generación de vacío debe realizarse muy cerca de la ventosa para aumentar la eficiencia utilizando menos vacío y un menor consumo de energía. Un sensor de presión integrado en el generador de vacío puede verificar si la celda aún se mantiene retenida después del movimiento. Dependiendo de la celda, las pinzas magnéticas son a veces una opción eficaz.

El ingeniero de diseño debe considerar lo que sucede durante una situación de parada de emergencia para garantizar que las celdas de la batería no se caigan. La redundancia de agarre incorporada es imprescindible. Las pinzas de vacío suelen ir acompañadas de un mecanismo de seguridad mecánico situado debajo de la celda de la batería, por ejemplo, una abrazadera para los dedos.

Lo maravilloso del manejo de celdas de batería es que toda la tecnología de movimiento, control y comunicación está disponible y ha sido probada. Los OEM que utilizan estas consideraciones clave pueden diseñar y ofrecer sistemas rápidos de puesta en servicio, confiables y sumamente eficientes.

Este artículo fue escrito por Lawrence Lin, gerente de desarrollo comercial de baterías para vehículos eléctricos, y Jarod Garbe, gerente del segmento de la industria automotriz, ambos en Festo (Islandia, Nueva York). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Battery & Electrification Technology.

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